基于单片机的开关电源设计

2018-10-15郭玉秀黄跃祖

通信电源技术 2018年8期

关键词：蜂鸣器流程图按键

郭玉秀，黄跃祖

（铜陵学院，安徽铜陵 244000）

1 总体方案设计

要求设计的开关电源可以精确延时，还能够利用键盘预置输入电压，且要实现电压预置、输出等功能。

1.1 主体思路

选用的主控制器为AT89S51单片机，因为此单片机可以控制以PWM为基础的数字，从而使输出的直流电压可以进行设定和调节[1-3]。电流的输出上限是5 A，同时系统可以呈现输出的电压和电流。

就功率发生的变化而言，开关变压器需要选用的类型为隔离式[4-5]。这种变压器在频率高的状态下可以用来隔离，随后使用的斩断波形方法为PWM，且在MOSFET管的控制下作用于直流电压，从而使功率变化出现在高频类型的变压器中。

驱动电路部分。专门的驱动电路是MOSFET可以工作的必要条件，而IR2110电路恰好符合MODFET的工作要求。

输出电路。选用的型号为MUR3060PT的肖特基二极管。

PWM控制。根据控制芯片TL494，实现对PWM的输出控制。另外，TL494的改变和调宽电压具有相同特性。

信号给定部分。主要设计一个反馈系统来记录电路电压在功率电路中的数值。

1.2 方案确定

先完成硬件设计，再完成软件设计。两个方面达到要求后，根据软件和硬件的各个步骤，利用Keil uVision2软件写程序进行编译，直到最后一步有.HEX文件生成。编译结束后，利用proteus软件仿真得出仿真结果，并绘制电路图。

2 开关电源硬件电路设计

2.1 设计方案

此设计中，显示的数码管LED有8个。单片机的P0口控制段码是否输入、P2产生控制操控位码是否输入。接入键盘电路设计4个按键，可以完成改变时间和固定时间的步骤。具体地，按键定义如表1所示。

表1 按键功能表

设计时选用P1.6脚连接蜂鸣器，分配P1.7引脚控制JZC_23F电磁继电器（属于小型中功率）的断开或者接通，进而控制外部电源的接通或断开。

2.2 硬件设计电路框图

图1是设计好的硬件电路结构组成框图，分别由按键输入电路、LED显示器驱动电路、8位LED显示器、时钟电路、继电器电路、复位电路、蜂鸣器电路和时钟/日历电路组成。

图1 电路框图

2.3 整流滤波模块电路的设计

有些电子器件由于自身结构的特点具有单向导电性，如二极管。如果选择这些器件，可以将交流电变成直流电。设计的具体整流滤波电路如图2所示。

图2 滤波整流电路图

2.4 单片机控制电路的设计

2.4.1 时钟电路

时钟电路一般是将一只晶振和两个电容接在两个引脚XTAL0与XTAL1上，见图3。

图3 时钟电路

2.4.2 复位电路的设计

单片机中有RST复位引脚。完成单片机的复位，既可以用手动复位，也可以用上电复位，如图4所示。

图4 复位电路

2.4.3 LED显示电路设计与器件选择

本系统中，选择4位一体的LED显示器。LED段驱动芯片选用74LS48，能够满足需求。LED位驱动芯片选用ULN2003A。设计时，使P2口在芯片上与用来输入的端口1B至8B相连，同时可以实现位码引脚D1、D2、D3、D4连在用来输入的引脚1C至8C上。在单片机中产生的位码类型的输入信号会发送到UNL2803上，然后完成驱动和反向的功能。

2.4.4 按键电路设计与器件选择

按键数是4个，而在键盘中只有独立式类型的键盘符合要求。由图5可以看到，此电路中有4个阻值为1 kΩ的电阻，按键使用的开关是轻触型的。其中，P3口连接在键盘上。用P3.2、P3.3接入两个外部中断的请求信号INT0、INT1；P3.4、P3.5接入两个输入信号。

2.4.5 蜂鸣器电路的设计

一般情况下，10 mA的电流可以使压电式蜂鸣器正常工作。设计的蜂鸣器的驱动和控制电路，如图6所示。可以看到，三极管VT1负载的集电极中接有蜂鸣器，控制VT1的通和断，从而实现控制蜂鸣器的作用。

综上，设计的整体电路如图7所示。

图5 键盘与单片机口电路

图6 蜂鸣器电路和继电器电路

3 软件部分设计

3.1 开关电源的架构设计

要想实现程序的正常运行，要保证初始化发生在键盘和开关电源上，然后对定时器进行初始化。实现此部分功能的主程序流程图如图8所示，主程序流程图和程序如下：

3.2 PWM占空信号设计

如果存在干扰，就会导致由此开关电源产生的电压和电流发生改变。因此，若想实现稳压输出，就要使PWM类型的信号具有的占空比很快地接收控制[6]，具体的算法流程如图9所示，程序如下：

图7 单片机硬件电路原理图

图8 主程序流程图

图9 算法流程图

3.3 按键软件设计

先用逐级行列键盘扫描法扫描键盘，然后使电阻与地相连接，保持无操作，则低电平呈现在每个线列上。但是，将电阻上提和电源接在一起时，继续不操作，会导致高电平呈现在每个线列上。设计的具体流程如图10所示，程序如下：

图10 键盘扫描子程序流程图

3.4 A/D采样模块的设计

A/D模块设计，采样集成电路PCF8591所具有的A/D模拟通道A0和A1，使电流和电压实现转变，具体实现的流程图如图11所示，程序如下：

3.5 数码管显示软件设计

数码管的作用是根据电流预输入的数值得到一个参考值，具体流程如图12所示，程序如下：

图11 转换模块流程图

图12 数码管显示流程图

4 系统软件的编译仿真

4.1 软件的编译

本次设计利用软件Keil uVision2，作用是编译。在此软件中，编译的基本步骤如下：

（1）开启Keil uVision2软件后，进入编辑单机“工程”选择“新建工程”，弹出下一个窗口，选择保存路径，另外选择一个新的项目，然后对这个新建工程命名为开关电源控制程序；

（2）重新创建一个文档文件，将其命名为基于单片机的开关电源控制器程序.C，然后进行单片机的选用；随后右击Source Group 1选择“增加文件组到Source Group 1”，把基于单片机的开关电源的程序控制器C加入Source Group 1的文件夹中；

（3）工程创建完毕后，要对工程进行下一步设置，右键单击Target，选择Options for Target“Target1”。

（4）上述步骤完毕后，左击快捷按钮“构造所有目标文件夹”，然后生成提示信息，即证明.hex文件已生成，完成对软件程序的编译，生成的.hex文件可导入Proteus中进行虚拟仿真。

4.2 软件仿真

选用proteus绘制电路图和各种流程图。随后，利用Keil uVision2以C51编译为基础进行软件的制作。设计完该控制器的硬件和软件后开始程序的编译，利用PZ-ISP V1.48软件将之前编译好的程序通过连接计算机与该控制器的USB串口电缆烧录到单片机内部的FlashRAM内，PZ-ISPV1.48烧录程序界面如图13所示。程序下载前，要进行以下步骤：

（1）选择与单片机对应的芯片类型，这里使用的是STC-89C5XX系列；

（2）选择正确的串口类型；

（3）打开已经编译且生成的HEX格式的文件；

（4）点击“下载程序”；

（5）若出现波特率调节超时提示，选择低速下载重新烧录。